高海拔多年冻土区路基工程行为对低温多年冻土长期影响的监测研究

2021-12-17范星文林战举刘明浩尹国安高泽永

冰川冻土 2021年5期

范星文，林战举，罗京，刘明浩，尹国安，高泽永

（1.中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州 730000； 2.中国科学院大学，北京 100049）

0 引言

青藏铁路是内地连通西藏的生命线工程，是我国高海拔多年冻土区修建的第一条铁路。青藏铁路采取了“主动冷却路基”的设计理念，2006 年全线建成通车，目前已安全运营超过10年。青藏铁路格尔木至拉萨段（简称格拉段）全长约1 100 km，沿线平均海拔约4 500 m，穿越大片连续多年冻土区段约550 km，其中年平均地温大于-1 ℃的高温多年冻土段约占50%，体积含冰量大于20%的富冰多年冻土段约占40%［1］。

由于多年冻土含有冰，对热扰动非常敏感。修建在多年冻土之上的铁路、公路等线性工程都不可避免的会对地表条件造成改变，导致地表辐射能量结构与地表热量收支发生变化，进而引起路基下部及坡脚附近多年冻土活动层厚度增加、冻土温度升高，甚至多年冻土发生融化，最终导致工程构筑物稳定性下降，路基沉陷、裂缝等病害发生［2-3］。

温度是判定多年冻土是否稳定的主要指标。铁路路基下部及坡脚附近温度场的变化主要由自然因素（包括：全球尺度或区域尺度的气温、降水、地表覆盖等）和人为因素（包括：工程施工、人为热源、铁路运营等）两方面引起［4］，在这两类因素的综合作用下，多年冻土可能会变暖，从而引起冻土区面积减小、低温冻土向高温冻土转化等问题［5-11］。

为保障青藏铁路的正常运行，大量学者及工程技术人员通过监测路基下部温度场变化来评价路基稳定性状况。其一是地域差异条件下路基下部冻土变化研究，对青藏铁路沿线如西大滩、北麓河、风火山、唐古拉山等地区进行监测，发现冻土活动层厚度不断增加，多年冻土发生不同程度退化，铁路路基病害主要表现为多年冻土退化之后易发生融沉［12-16］；其二是不同路基结构的降温效果研究，如对块石路基、遮阳棚、热棒等路基结构的长期研究表明，路基结构在保护冻土、减缓冻土退化、减少路基病害方面发挥重要作用［17-20］。这些研究也证实了路基稳定性与其下部多年冻土条件密切关联。

同时也发现，目前的研究多集中于路基两侧能量平衡分析计算、多年冻土地气热收支分析、温度与路基沉降等方面［18-24］，也特别关注高温多年冻土区路基下部及坡脚地温场的变化及其与工程的相互作用，但缺少根据较长时间序列的实测地温数据，来评价工程行为对低温多年冻土的影响研究。短时间序列的工程行为对多年冻土影响的研究具有一定的局限性，不足以准确评估铁路路基稳定状况。

鉴于此，本文基于青藏铁路K980+000段2008—2019 年的长期地温监测资料，分析了铁路工程运营对低温多年冻土的长期影响过程，包括路基下部多年冻土地温变化趋势、路基上限变化趋势、天然地温变化趋势等，研究结果对准确评估青藏高原冻土环境变化以及维护青藏铁路安全运营具有重要意义。

1 研究区概况

1.1 区域地质地貌条件

青藏高原位于我国西南部，南自喜马拉雅山脉南缘，北到昆仑山-祁连山北侧，纵贯约13 个纬度，南北宽达1 532 km，面积约为2.6×106km2，约占我国陆地总面积的26.8%［25］。青藏高原也是平均海拔最高的高原，大部分区域平均海拔超过4 500 m。较高的海拔导致空气稀薄、太阳辐射强、平均气温较低、日较差大等气候特点。现代冰川、冻土发育、冰缘地貌、寒冻风化作用普遍［26］。

研究区（图1）位于昆仑山南坡青藏铁路里程K980+000 路基西侧处，距昆仑山垭口约3 km。南接楚玛尔河高平原，海拔约4 700 m，属于昆仑山大-中起伏高山地貌单元，大部分地区为冰水沉积或湖相沉积带，少部分为河流阶地，地形相对平缓。海拔5 100 m以上发育着现代冰川、石冰川［27］。

图1 青藏高原及研究区位置［26］Fig.1 Location of study site in Qinghai-Tibet Plateau（QTP）［26］

1.2 区域气象条件

研究区位于青藏高原北部，气候干旱，多风少雨，属于典型的内陆高原气候特征。研究结果显示［28-29］，距研究区南约50 km 的清水河地区1957—2011 年多年平均降雨量517.8 mm，年蒸发量1 163.3 mm，年平均风速4.5 m·s-1，最大风速31 m·s-1，最大积雪厚度15 cm。同时，根据2014年布设在该场地的HOBO 系列气温传感器监测结果（表1），研究区2015—2018 年多年平均气温-5.5 ℃，极端高温20.2 ℃，极端低温-32.8 ℃，平均冻结天数为247 天，冻结指数为2 490 ℃·d，融化指数为523 ℃·d，冻融指数为4.76。

表1 研究区2015—2018年气温情况Table 1 Air temperatures in the study area from 2015 to 2018

1.3 区域植被与冻土发育情况

研究区位于高寒草原区，主要植被类型为高寒草原（alpine grassland），原生建群种为小嵩草（Kobresia pygmaea）和紫花针茅（Stipa purpurea）［30-31］。且植被稀少，盖度不足20%，植株高度＜15 cm。

研究区冻土基本呈大片连续分布，局部有融区。据前期调查，昆仑山南坡连续冻土下界在4 450～4 560 m［32］。多年冻土厚度约为60～120 m，天然上限深度约1.5～2.5 m，垂向上2～3 m 深度易受影响的区域发育着质量含水量超过50%的含土冰层，属富冰或饱冰冻土区，3～8 m 为富冰或饱冰冻土，含水率约20%，13 m 以下为强风化泥灰岩区，发育饱冰或富冰冻土，部分区域有层状冰［29］。冻土冷生构造为网状、水平层状和裂隙脉状。

1.4 研究区路基结构

块石路基广泛应用于青藏铁路路基。块石路基可分为块石基底路基、块石护坡路基、以及U 型块石路基。研究区的路基结构为块石护坡路基，属于开放式块石路基。路基高度约为4 m，块石护坡厚度约为1 m［图2（a）］。块石路基能有效抬升多年冻土上限，降低下部多年冻土温度。

2 研究方法

2.1 监测设备布设

2007 年10—11 月进行现行路基单侧钻孔［图2（b）］，垂直路基布设钻孔5个，钻孔深度均为15 m，1号孔距离铁路路基坡脚约为30 m，可近似认为是天然孔，铁路运营对该处的多年冻土基本没有扰动，或者扰动很小。2号孔距离铁路路基坡脚约为5 m，3 号孔距离路基坡脚约为3.6 m，4 号孔距离路基坡脚约为2 m，5号孔位于路基坡脚处。每个钻孔安装高精度热敏电阻温度传感器25个（由中国科学院冻土工程国家重点实验室制作，标定测温精度为±0.05 ℃），用于实时监测冻土温度。从地面向下第1 个温度传感器安装深度为0.5 m，0.5～10 m 深度，每隔0.5 m 安装1 个；10～15 m，每隔1 m 安装1个温度传感器。

图2 K980+000段地温监测孔布设示意图Fig.2 Map of ground temperature monitoring holes in section of K980+000：subgrade structure and ground temperature holes at the study area（a）；surface conditions at the study area（b）

地温数据用美国Compbell 公司生产的CR3000数据采集仪采集，数据采集开始时间为2008 年1 月1 日，实施自动连续采集，采集频率为每天4 次。本文分析数据截止日期为2019 年12 月31 日，其中2013年2—4月的数据缺失，缺失数据通过前后两年同期数据内插补足，缺失数据小于全部分析数据的2.3%，对平均值的计算影响很小。

2014 年10 月，补充安装了一套HOBO 系列外部温度数据记录器HoboPro v2（U23-004），气温传感器被保护在太阳辐射罩内，安装高度为2.0 m，地表温度传感器埋设在地表以下5 cm 深度，标定的测量精度为±0.21 ℃，适用环境温度为-40～100 ℃。数据从2014 年10 月5 日开始记录，每30 分钟连续记录一次。本文分析数据截止日期为2020 年2 月29日。

2.2 数据分析方法

2.2.1 平均气温、平均地温计算

年平均温度是指一年内365（或366）天的平均值，本文年平均气温是指每年1 月1 日至12 月31 日的17 520个（2个/小时×24小时×365天）气温数据的平均值。不同深度土体年平均温度是指每年1 月1日至12月31日的1460个（4个/天×365天）地温数据的平均值。月平均温度是指每月温度的平均值。

2.2.2 冷暖季平均温度计算

青藏高原四季不分明，通常分为冷暖两季。在全球增温的背景下，区分不同季节的增温，有利于采取不同的措施，更好的保护铁路。本文选取将5—10 月份作为暖季（地表温度为正温，处于融化状态），11 月—次年4 月作为冷季，分析冷暖季不同的增温趋势。冷季与暖季的增温率均为年均冷季/暖季增温率。在进行计算年均增温速率时，采用最小二乘法进行计算。

3 结果分析

3.1 冻土上限变化趋势

冻土上限一般指0 ℃等温线在土体中达到的最大深度，是多年冻土区冻土融化最大深度［32-33］。利用线性插值方法，估算了各个监测孔的冻土上限（图3）。结果表明2008 年监测初期，1 号孔、2 号孔冻土上限相差不大，均约为1.8 m，5 号孔上限深度为1.26 m。到2019 年监测孔冻土上限均有不同程度的下降，4号孔冻土上限深度达到2.27 m，下降了56 cm，在所有的监测孔中最大，5 号孔冻土上限约1.67 m，在所有的监测孔中为最小，下降了41 cm。

图3 冻土上限随时间变化（2008—2019年）Fig.3 Annual variations of permafrost table during 2008—2019

监测期（2008—2019 年）所有监测点的冻土上限都在波动中下降。2010 年和2016 年有一个“跳跃”（两个年份的冻土上限下降量超过10 cm），可能由于极端气候的影响或者是地下热量累积后产生突变，其余时间下降趋势都比较缓慢。同时，从下降率来看，5 个监测孔冻土上限下降的速率大体一致，1 号孔、2 号孔、4 号孔冻土上限下降幅度均大于4 cm·a-1，3 号孔、5 号孔冻土上限下降幅度约为3 cm·a-1；但5号孔（靠近路基的孔）维持了较浅的冻土上限，表明非气候源的扰动可能在此处很小，并且块石路基很好的保护了上层多年冻土，使其处于放热大于吸热状态，保持了较浅的冻土上限深度。

3.2 地温年均升温趋势

对地温数据进行分析，将两年温度的平均值做成一个系列的数据，绘成地温剖面图（图4）。结果显示，在同一深度，尽管土体年平均温度可能存在一定波动，但总体呈现出增温的趋势，上层增温大于下层增温。1 号孔2008—2013 年的浅层平均地温接近，从2014 年以后，地温显示出明显的增加趋势。2 号孔的地温逐年递增，2014—2015 年地温在这10 年中表现出最暖（-7 m 以上），外界环境（气温、降雨、热扰动等）的影响大，但总体呈现出波动增温的趋势，-7 m 以下，受外界环境影响很小，地温同样表现出随时间增温趋势。3 号孔、4 号孔、5 号孔温度变化趋势与2 号孔相同，即2014—2015 年平均地温表现出反常的高温（-7 m 以上），但其下部的地温也随时间不断增加。同时，对-7 m 以下深度的地温进行分析，2 号孔、3 号孔、4 号孔、5 号孔下部温度增温速率不同，2 号孔2008—2015 年增温较大（表现为年平均地温曲线间距较大），5 号孔2008—2015 年增温较小（表现为年平均地温曲线间距较小），但2016—2017 年的地温均表现出了一个“跳跃”（与气温变化一致），即所有监测钻孔深部（-7 m到-15 m）温度相较前几年显著的增加。根据地温曲线，所有的监测孔地温曲线逐渐由“稳定型地温曲线”变为“退化型地温曲线”，这一过程随时间推移不断加剧。

图4 监测孔地温剖面随时间变化（一个地温曲线代表两年的平均地温）（2008—2019年）Fig.4 Ground temperature profile at five boreholes during 2008—2019（A profile represents the average ground temperature in two years）

利用线性回归分析方法，计算出每个观测点不同深度每年的升温率（图5）。该区域的地温整体表现出升温的趋势，升温率随深度的增加呈现出递减的趋势。将-0.5 m 处地温看作活动层上部，-1.5 m处看作是活动层下部，-2.5 m 处看作是冻土顶部，-5 m、-10 m、-15 m分别看作是浅、中、深三个不同的冻土深度，计算了它们的年均升温率（表2）。地温年均升温最显著的为活动层（表现为所有监测孔-2 m 深度以上年均增温比-2 m 深度以下大），在-2 m 深度以上，对应的最大年均增温值1 号孔约0.048 ℃·a-1，2 号孔0.108 ℃·a-1，3 号孔0.108 ℃·a-1，4 号孔0.135 ℃·a-1，5 号孔0.042 ℃·a-1。5 号孔增温趋势较1 号天然孔快，4 号孔靠近路基，在-2 m深度以上，增温趋势较快，在-2 m 深度以下，增温缓慢。在-10 m 深度以下排除局地因素的差异以及仪器的误差，1～5 号孔表现出相似的增温趋势，并且距离路基越近增温幅度越小。

图5 研究区各钻孔11年年均增温随深度变化趋势（2008—2018年）Fig.5 Annual increase rate of ground temperature in different depth at each borehole during 2008—2018

监测数据表明，研究区地温在冷季和暖季表现出不同的增温趋势，全年表现出不均衡增温状态（图6）。暖季，5 个监测孔地温都表现出增温趋势，随深度增加，增温幅度下降。路基孔年均增温较天然孔小，天然孔与2 号、3 号孔表现出大致相等的增温幅度，靠近路基的4 号监测孔在0 m 到-2 m 深度显示出较强的增温趋势，-2 m 以下，各监测孔表现出大致相等的增温幅度。在冷季，5 个监测孔同样显示出增温趋势。-2 m 深度以上所有钻孔都显示随深度增加而增温率逐渐增大；-2 m 到-3 m 深度，增温趋势最大；-3 m 深度以下，随深度增加增温趋势逐渐减小；-8 m 以下，增温趋势大致相等。综合来看，暖季与冷季表现出不均衡的增温趋势，暖季增温趋势在0 到-2 m 深度时较冷季大，-2 m到-10 m 暖季增温趋势较冷季小，-10 m 到-15 m 深度，冷季与暖季增温趋势大致相等，相差±0.001 ℃。

图6 暖季与冷季不均衡增温趋势Fig.6 Unbalanced warming in warm season and cold season，warm season（a）and cold season（b）

表3 不同深度年均增温速率以及对应的相关系数（R2）Table 3 Annual average temperature increase rate and correlation coefficient at different depths

4 讨论

4.1 地温变化及其对路基影响

在监测时间内，计算了地温的年际增温趋势、季节增温趋势，这两种趋势都表明地温是在缓慢增加。不同监测孔、监测孔的不同深度年际增温率不同，但这种增温都导致活动层厚度的增加，多年冻土层部分融化，路基以及天然孔面临着沉降的风险。增温的原因是气候变化和工程扰动的双重效应。

气候的变化直接影响着多年冻土的发展。全球气候变化主要以气候变暖的形式出现，IPCC的报告指出，过去100 年来全球地表温度升高了0.3～0.6 ℃，自19 世纪90 年代以来全球变暖幅度明显升高，预计未来100 年内全球气温可能升高2.5 ℃，可能的范围为1.4～5.8 ℃［34］。青藏高原作为全球气候变化的指示器，其升温速率会高于全球平均值［35-36］，从1981 年至2010 年期间，青藏高原气温平均升高率为0.04～0.05 ℃·a-1［37］，同时，1995 年至2007 年期间，青藏公路沿线的多年冻土活动层厚度持续增加，年平均速率为4.5 cm·a-1［35］。从研究区来看，其活动层的厚度持续增加，天然孔年平均增加速率为4.2 cm·a-1，略小于1995—2007 年的4.5 cm·a-1；路基孔的活动层厚度年增加速率为3.3 cm·a-1，远小于沿线的活动层厚度的年均增加率。与之相对的，3 号孔活动层增加速率4.0 cm·a-1，4 号孔4.6 cm·a-1，2 号孔4.7 cm·a-1。块石路基减缓了多年冻土活动层厚度的增加速率，但活动层厚度增加趋势仍会持续。

气候变暖下，大部分地区的工程热扰动的叠加作用加速了工程下部多年冻土的退化［38］。多年冻土区的路基工程改变了地表物理性质，破坏了原有的能量平衡特征，其下部的冻土热状态发生了显著的变化。在研究区域，活动层厚度不断增加、冻土温度升高。

4.2 路基地温随距离的变化特征

路基一侧的5个孔，1号孔离路基最远（30 m），5号孔在路基坡脚处。图7 列出了1～5 号孔2008—2019 年年平均地温。2～5 号孔，测温孔的年平均地温随离路基距离的增加，存在显著增加趋势。5 号孔（路基孔）的年平均地温在检测时间内显著小于2号孔。

图7 测温孔年平均地温Fig.7 Annual mean ground temperature in different boreholes

从总体上看，离路基越近，多年冻土年平均地温越低。为进一步研究不同深度这种变化的差异性，选取深度为-0.5 m、-1 m、-1.5 m、-2.5 m、-5 m、-10 m、-15 m 各层的地温数据作为因变量，以到路基的相对距离为因子等级分别进行单因素方差分析来研究路基一侧地温随路基不同距离的变化特征。

从表4方差分析结果可以看出，在深度为-0.5 m时，5 号孔与其余4 个孔不存在显著性的差异，即在该层上工程带来的热作用不明显。随深度增加，在-3 m 时，5号孔与4号孔土体温度开始出现差异；此时，5号孔与3号孔以及2号孔出现极显著的差异，与1号孔出现显著性差异。极显著的差异在-5 m以下时表现明显。因此，地温虽然在一定范围内随路基距离的增大而逐渐增大时，各深度的增大速率并不一致。路基的大致影响范围在2.0～3.6 m之间。

块石路基夏季通过隔热降低路基下部土体的温度，而冬季通过对流换热来储藏冷量，起到了“热半导体”的作用［39-40］。因而，在冻土上限附近（-3 m）、-10 m 处，路基以及相邻区域的土体温度较天然孔低。在监测的深层（-15 m），天然孔的平均地温比路基孔以及受路基影响的孔（2号孔、3号孔、4号孔）要低，但升温较快。相反，5号孔升温较慢（图8）。